JPS63268568A - 自動溶接装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、自動アーク溶接装置に係り、特に溶接ロボッ
トに好適な自動溶接装置に関する。

（従来の技術〕 電気アーク溶接においては、溶けた金属がプールを作り
、それが冷えて凝固し、ビードを形成することにより母
材の接合が得られる。

従って、この過程で現われる溶融金属のプールの状態（
形状、大きさ、温度など）は、溶接品質に多大の影響を
及ぼす。

そこで、従来の装置では、このような点を考慮して、溶
接条件の自動設定を行なっていた。具体的に言えば、こ
のとき、溶接方向やワーク（被鴎接物）の板厚、開先形
状などを考広しでいた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、このプールは、当然のこととして液体の溜り
であるから、重力の影響を受け、重力の方向とプール形
成面の方向によって形状を変え、このとき、溶接条件が
適切でないと流れ出して良好な溶接は得られない。

しかして、従来の技術では、このような重力の影響につ
いては考慮されておらず、ワークの形状や溶接経路の多
様化に対応した溶接品質の確保に問題があった。

本発明の目的は、上記した従来技術の問題点に対処して
、常に充分な溶接品質の確保が可能な自動溶接装置を提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕 上記目的は、溶接条件の自動設定に際して、常に重力加
速度（以下、単に重力という）の方向を考慮した設定が
行なわれるようにして達成される。

具体的には、自動溶接装置では、ワークに対する溶接方
向（トーチの姿勢や溶接進行方向など）はあらかじめ与
えられているか、センサなどを用いて検出してゆくよう
になっており、いずれの場合も溶接方向はわかる。そこ
で重力方向とその装置との関係がわかるように、重力方
向の検出器をつけて検出したり、本体が固定されている
場合は、人間が入力するなどして、重力方向の基準をも
ち、それと溶接方向より、重力方向に対する溶接方向を
認識し第１条件とする。さらに開先条件を、検出する手
段、又は入力する手段をもつことにより被溶接物の開先
形状を決定し第２条件とする。そして、これら第１条件
と第２条件とにより、最適溶接条件のテーブルを分類し
てやり、適宜選択して使用することにより達成される。

なお、テーブルだけでは、固定条件になってしまうので
、「溶接速度を上げる場合は、それに伴って溶接電流、
電圧も上げる」とか、「上進溶接の場合は、端点停止を
伴なうウィービングを使用する」とか、或いは「下進溶
接では１５°程度の後退角を用いる」といった規則を適
用して溶接条件を決定するようにしてやれば、さらに好
結果が期待できる。

（作　　　用） プールの形成に対する重力方向の影響を予め勘案して溶
接条件の設定が可能になるから、溶接方向の変化に追従
して常に最適なプール生成が得られ、良好な溶接品質を
保つことができる。

ここで、重力方向と溶接方向の関係について、種々の分
類を行ない、詳しく説明すると以下のようになる。

まず、第３図（ａ）のワーク１０１の場合は上進の隅肉
溶接であり、溶接のプールが流れ落ちないようなくふう
が必要である。一般には低い電流値を使用し、端点停止
を含むフィーピングを行ないながら低速で１容接してい
く。

第３図（ｂ）のワーク１０２の場合は上進の重ね溶接で
あり、トーチに後退角をもたせ、プールの流れを抑制し
ながら、比較的高速で溶接していく。

第３図（Ｃ）のワーク１０３の場合は水平重ね、同図（
ｄ）のワーク１０４の場合は水平隅肉溶接である。板厚
が厚くなるとウィービング溶接や多層盛溶接を使用する
。

第３図（ｅ）のワーク１０５の場合は下向のＶ開先、同
図（ｆ）のワーク１０６の場合は下向の隅肉溶接である
。溶融プールは均等になる為、比較的大腸長のビードを
１層で盛ることができる。

第３図（ｇ）のワーク１０７の場合は上向水平の隅肉溶
接である。この場合は、溶融プールが大きくなると重力
で落下してしまう。従って溶融プールを小さくする為、
小電流を使用し、左右不均等な停止時間をもつウィービ
ングを使用する。

上記のように、溶接方法は、重力の方向と密接に関係し
ている。この為、重力の方向を基準として、溶接方向を
認識してやる。さらにトーチの向いている方向も重力と
の関係でとらえることにより、上記の分類が自動的に可
能となり、各々別々の最適条件を記したテーブルや規則
を持たせることができ、容易に最適溶接条件を決定でき
る。

さらに、各溶接姿勢内で、例えば第３図（Ｃ）。

（ｄ）のワーク１０３と１０４のような、開先や継手形
状による分類を行ない、テーブルや規則を持たせること
により、より良好な溶接条件を決定できる。

〔実　施　例〕

以下、本発明による自動溶接装置について、図示の実施
例により詳細に説明する。

第２図は本発明の一実施例を示す全体構成図である。本
実施例は、６軸のロボットを用いて本発明を実現したも
ので、図において、１はロボット本体であり、旋回、上
腕、前腕９曲け゛、ふり、ひねり、の６軸楕成で、各軸
は各々、サーボモーターで駆動されるようになっている
。そして、ロボット本体１の手先には溶接トーチ５が取
付けである。一方、このロボット本１のベースの部分に
は、重力方向検出器１１が設けである。この重力方向検
出器１１は検出方向が直交するように配置された３つの
加速度ピックアップより構成されている。

１０はワイヤ送給装置であり、ワイヤ６をトーチ５に供
給する働きをする。

３はロボット制御装置であり、その上面にはＣＲＴと操
作盤が付いている。

４はティーチングボックス（Ｔ、ＢＯＸ）であり、ロボ
ットに教示を行なうときに用いるものであり、その表面
にはロボットの各軸を手動動作させる為の３０と、ロボ
ット制御装置３にロボットの現在の位置姿勢をとり込ま
せる為の教示釦などが付いている。

２は溶接機であり、ロボット制御装置３からの信号によ
り、溶接用の電圧、電流を発生し、またワイヤ送給装置
ｌＯにワイヤ送給速度指令を発する働きをする。

さらに、９は溶接用シールドガスのガスボンベ、８は被
溶接物（ワーク）であり、７はそれを置く台である。

次に、第１図はロボット制御部Ｗ３の内部の制御ブロッ
ク図を示したもので、２１のＣＰＵ−Ａと２６のＣＰＵ
−Ｂの２台のＣＰＵを備え、これらによりすべての処理
が行なわれるようになっている。

まず、ＣＰＵ−Ａ２１は主にロボットの動作制御を行な
うもので、このためＣＰＵ−Ａ２１は２５のバスアビタ
ーＡを介して、３１のローカルバスＡと、３３の共通バ
スに接続されている。

２２のＲＡＭ−ＡはローカルバスＡに接続されており、
ＣＰＵ−Ａ２１の処理手順を書いたプログラムが格納さ
れている。なお、このＲＡＭ−Ａ２２はＣＰＵ−Ａ２１
の演算用のワークエリアとしても用いられる。

２３はサーボ制御部であり、ＣＰＵ−Ａ２１より各軸の
動作目標位をうけとり、２４のモータ駆動アンプ部に指
令を出す。そこで、このモータ駆動アンプ部２４は、こ
の指令に応じてモータ駆動用の電流。

電圧を発生し、５１〜５６の各モータＭｌ−Ｍ６を駆動
する。ここで、Ｍｌは旋回、Ｍ２は上腕、Ｍ３は前腕、
Ｍ４は曲げ、Ｍ５はふり、Ｍ６はひねりの各モータであ
り、ロボット本体ｌに取付けられているものである。

一方、ＣＰＵ−Ｂ２６は、゛マンマシンインターフェー
スや、その他の主要部の処理を実行するもので、このた
めＣＰＵ−Ｂ２６は３０のパスアビターＢを介して、３
２のローカルバスＢと、３３の共通バスに接続されてい
る。

２７のＲＡＭ−Ｂは、ＣＰＵ−Ｂ２６の処理手順を書い
たプログラムを格納し、さらに、ＣＰＵ−８２６の演算
等のワークエリアとしても使用される。

２８は知識用ＲＡＭであり、各種の状態における最適溶
接条件や、溶接条件を決定する際の規則が格納されてい
る。

２９は通信用ＬＳＩであり、ＣＰＵ−８２６はこれを介
してマンマシンインターフェース用の各種の装置をコン
トロールする。

４０はＣＲＴコントローラであり、通信用ＬＳＩ２９よ
り通られて来た表示内容を４１のＣＲＴ上に表示する。

４２は操作盤であり、キーボード用のキーとモード切替
スイッチ、ロボットの起動停止等のスイッチが設けられ
ている。この操作盤４２での入力は同じく通信用ＬＳＩ
２９を介してＣＰＵ−８２６に送られる。

ところで、共通バス３３はＣＰＵ−Ａ２１からも、ＣＰ
Ｕ−８２６からもアクセスできる。そこで、これらから
同時にアクセスされるのをさける為、２５と３０のパス
アビターが使われてるのである。

３４はＲＯＭであり、電源立上げ時の処理が記述してあ
る。

３５は共通ＲＡＭであり、ＣＰＵ−Ａ２１とＣＰＵ−Ｂ
２６に共通なデータが書かれている。例えば、ロボット
の教示データなどはここに格納される。

さらに、ＣＰＵ−Ａ２１とＣＰＵ−Ｂ２６が情報を交換
する際も、このＲＡＭ３５を介して行なう。

３６はバブルメモリであり、電源を切った時に失われて
は困る情報と、処理プログラムや溶接用の知識が格納さ
れている。そして、このバブルメモリ３６の内容は、電
源ＯＮ時での初期化処理において、各ＣＰ　Ｕ２１．２
６により、必要なＲＡＭ　（ＲＡＭ−Ａ２２．ＲＡＭ−
８２７，知識用ＲＡＭ２Ｂ、共通ＲＡ　Ｍ２Ｓ）上に転
送され、制御処理に使用される。

３７は溶接機インターフェースであり、第１図に示した
溶接機２との信号のやりとりを行なう。

３８のＩ１０用ＬＳＩは、３９のＡ／Ｄコンバータに接
続されており、ＣＰＵの指令によって、このＡ／Ｄコン
バータ３９をコントロールする働きをする。なお、この
Ａ／Ｄコンバータ３９は３つのＡ／Ｄコンバータより構
成されており、各々は、重力方向検出器１１内の３つの
加速度ピックアップに接続されている。そして、これら
３つの加速度ピックアップは、ロボットに固定されたｘ
、ｙ、ｚの直交座標軸に、各々平行に取付けられており
、ＣＰＵ（Ａ又はＢ）は、共通ハス３２とＩ１０用ＬＳ
Ｉ３Ｂ、それにＡ／Ｄコンバータ３９を介して３方向の
加速度（力）を検出し、重力方向を知ることができるよ
うになっている。

、次に、この実施例の動作について説明する。

まず、第４図は基本的な操作フローを示したもので、最
初、処理２０１で電源を入れる０次に処理２０２で操作
盤４２上の切替スイッチを用いて、教示モードを選択す
る。処理２０３では、Ｔ、ＢＯＸ４を用いてロボットを
動かし、ロボットの動作経路を教示していく。なお、こ
の動作経路を教示する際、溶接の開始、終了の条件も同
時に教示する。

教示データは点列（位置データ列）で構成され、各点は
それぞれ、各軸の動作角（θ、〜θ、）、次の教示点ま
での動作モード（直線２円弧）と動作速度（Ｖ）、溶接
するか否かの情報から成り立っている。

次に処理２０４で溶接条件設定モードを選択する。

このモードが本発明における特徴的なモードである。処
理２０５で溶接関係の情報を入力する。詳細については
後述する。入力が完了すると、最適な溶接条件が、先の
教示データ内の溶接をとなっている点に付加される。次
に実際に溶接を行なう為に、処理２０６で再生モードを
選択し、続いて処理２０７でロボットを起動し、実際の
溶接を行なう。

そして、溶接が終了したとき、最後の処理２０８で他に
溶接するワークがある場合には処理２０９でワークを交
換し、再び溶接を行なう。

基本の操作は、上記のとうりであるが、既に教示が終了
している場合は、電源ＯＮの後、すぐに再生モードを選
択し、溶接を行なうことも可能である。

次に、第５図〜第７図を用いて、内部の処理手順を説明
する。なお、これらの処理はＣＰＵ−８２６で行なわれ
、このときＣＰＵ−Ａ２１は、ＣＰＵ−Ｂの要請に従っ
てロボットを動作させるだけである。

さて、第５図は全体の処理手順であり、まず、電源が入
れられると、初期化処理２１０を行なう。

この初期化処理では、バブルメモリ３６からのプログラ
ムやデータのローデングと、各種のＬＳＩの初期設定を
行なう。次に、処理２１１で重力方向の検出を行なう。

詳細は、後で第６図を用いて説明する。次に処理２１２
では操作盤４２で設定されているモードを入力し、判定
する。そして、まず、教示モードの場合は処理２１３の
教示処理を行なう。

この教示処理では、Ｔ、ＢＯＸ４と通信を行ない、押さ
れたキーの状態をとり込む。押されたキーがロボットの
動作キーの場合、共通ＲＡＭ３５を介して、ＣＰＵ−Ａ
２１にロボットを動かすように指示する。押されたキー
が教示キーの場合、ロボットの現在値をとり込み、教示
データ、を作成していく。

再生モードの場合は、２１４の再生処理を行なう。

この再生処理では、教示データをとり出し、ｃｐＵ−Ａ
２１に渡す。操作盤４２で起動釦が押されると、ＣＰＵ
−Ａ２１にロボットを動作させるように指示する。ＣＰ
Ｕ−Ａ２１は教示データに従ってロボットを動かしてい
く。最後に、溶接条件設計モードの場合は、２１５で溶
接条件設定処理を行なう。これについては第７図を用い
、後で詳細に述べる。

第６図は重力方向検出の処理手順を示したもので、既に
説明したように、この重力検出はロボット本体１に取付
けである重力方向検出器１１を用いる。なお、これも前
述したように、この重力方向検出器１１は直交する検出
方向をもつ３つの加速度ピックアップより構成され、ロ
ボットのベースに取付けてあり、ロボットの設置状態（
床置き、天吊り、かべかけ）によって出力が決定される
ようになっているものである。

上記したように、加速度ピ・ツクアップは重力加速度を
３方向で検出する。そこで、まず処理２２０でＸ方向の
加速度ピックアップの出力電圧をＡ／Ｄ変換し、これを
Ａ、とする０次に、処理２２１ではｙ方向について同様
にＡ／Ｄ変換し、これはＡ。

とする、ｒｙｔ後に、処理２２２では２方向についてＡ
／Ｄ変換し、それはＡ、とする、処理２２３ではこの３
つの値を用い、次式にて、重力方向ベクトル１６を算出
する。

１゜−（Ａ、／に、Ａ、／に、ＡＩ　／Ｋ）この丁。は
、ロボットに対して重力がどちら方向に働いているかを
示している０例えば床；αの理想状態では、 ７ｇ　−（０，０，−１） となる。

次に第７図によって、溶接条件設定処理を説明する。

まず、処理２３０で教示データ中の溶接箇所をさがし出
し、溶接方向を算出する。溶接開始点の各関節角をＰ、
−（θ８．θ２・・・・・・θ、）とし、溶接終了点を
ｐｍ−（０１′、０８′・・・・・・θ、′）とすると
、 ｆＩｌ、　　ｆ、、　　ｆ、は座標変換式という計算を
行ない、各関節角より直交データを算出する。これを用
い、 によって溶接方向７．を求める。

次に、処理２３１で重力に対する溶接方向とトーチ方向
を算出する。

θ−ｃｏ！！’　（６ｗ　　・８ａ　）このθにより（
θは重力方向と溶接方向の成す角） θ≦１０″　　　　→　上進方向 ８０＠≦θ≦１００°　　→　水平方向１７０°≦θ　
　　　　　→　上進方向などと判断できる。

さらに、Ｐ、よりトーチの方向を算出する。

”ｉ’ｔ　−Ｇ　（Ｐυ ８ｔｌ−１ これを用いて、トーチのねらい角を算出する。

１６０°≦α　　　　　　下向 １００　’≦α１６０″′　　　水平 α≦４５″　　　　上向 などと判断できる。

このθとαを記録しておく。

次に処理２３２で溶接の外部条件を入力する。ここで、
外部条件とは、■シールドガスの種数、■ワイヤ径、■
ワイヤの種類２等である。

処理２３３では被溶接物の板厚（１）と開先又は継手の
種類を入力する。開先、継手としては、隅肉１重ね、Ｖ
開先、フレア、Ｌ開先、１１！手等があり、それをキー
ボードより入力する。

処理２３４では、どのくらいのビードにするかという、
いわゆる脚長を入力する。

処理２３５では、今まで入力された、溶接方向（θ）、
トーチねらい角（α）、？８接外部条件。

板厚、開先、要求脚長を用いて最適溶接条件を決定する
。

まず、αとθより、溶接姿勢を決定する。

すなわち、 θ＞１３５”　　　上進　（第３図（ａｌの場合）４５
°２θ　　　　　　上進　（第３図（ｂ）の場合）１３
５＠＞θ〉４５のときには、さらにαをみて、α≧１７
０＠　　　下向　（第３図（１１）の場合）１７０　”
　＞α≧１１０　’　　　水平　（第３図（Ｃり、　（
ｄ）の場合）１１０°＞ａ＞８Ｑ°　　　横向き Ｂ□＠＞α＞１０°　　　上向水平（第３図（ｇ’ｌの
場合）１０１〉α　　　　　　上向き と判定するのである。

これと、外部条件、開先より、条件テーブルを選択する
。板厚により電流、電圧をテーブルより選び、脚長によ
って溶接速度を決定する。適切なテーブル条件がない場
合は、該当する規則を用いてテーブル選択を行なう０例
えば板厚が、２．５ｔのとき、２．Ｏｔと２．６ｔのテ
ーブルしかなかったときには、これらの条件を分配して
決定する規則を用いるのである。

さらに、ウィービングの有無、ウィービングの条件等や
、前進角、後進角の適正値についても適用できる規則を
用いる０例えば「上進溶接ではウィービングを使用する
。ウィービングはＬ形つィービングで、端点にて０．５
ｓｅｃｓ中央では０．３ｓｅｃ停止する」といった規則
が入っており、これを用いるのである。

また、操作者が特別な要求を入力してきた場合も規則を
用いて対応する。例えば「溶接速度をできるだけ速くす
る。溶接品質は多少悪下しても良い」などと入力された
場合には、「溶接速度を上げたときには、電流、電圧も
同時に上げよ」という規則を適用する。

次に、処理２３６では上記のようにして決定された条件
をＣＲＴ４１上に表示する。

処理２３７では人間（オペレータ等）に対し確認を求め
る。従って、変更したい場合にはＮＯを入力すると、処
理２４０で変更項目が入力できる。その後、それをもと
にもう一度、溶接条件を決定しなおす。

一方、条件が良いとなった場合は、処理２３８で、その
条件を教示データに付加する。このとき、前進角等の指
定があるときは、ロボットの各軸データも修正する。次
に処理２３９で、他に教示データの中に溶接部分がある
か否か判定し、ある場合は、その部分について２３０に
より処理をくり返す。ない場合は終了である。

以上のようにして、溶接の最適条件を設定することがで
きる。

従って、以上の実施例によれば、ロボットをどのような
姿勢で設置しても、簡単な人力だけで、常に最適な溶接
条件を設定できるという効果がある。

また、開先形状はチ夫っているが、溶接線が３次元方向
に変化していくような場合でも、本発明の溶接条件設定
を溶接中に並列実行させることにより、その時々での最
適な条件が選択できるようになることは言うまでもない
。

なお、本実施例では開先形状を人間が入力するようにし
ているが、視覚センサ等を用いて、ロボットが自動的に
開先形状を入力するようにすれば、より人間の操作は簡
単になる。

また、ロボット自身が３次元的に移動するポジショナ−
等の上に置かれている場合は、再生動作中に、重力方向
検出と溶接条件設定処理を溶接と並列的に実行させるこ
とにより、常に適正な溶接条件を自動設定することが可
能となる。

なお、以上の実施例では、本発明をロボットに適用した
場合について説明したが、自走式など一般的な自動溶接
機などによって実施してもよいことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、溶接動作中に溶接方向が変ってゆくよ
うな場合でも、常に最適な溶接条件のもとでの動作が可
能になるから、ワークの形状や溶接経路の多様化、それ
にロボットなどに適用してその姿勢変化などに充分に対
応し、常に良好な溶接品質を容易に保つことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による自動溶接装置の一実施例を示すブ
ロック図、第２図は本発明の一実施例が適用された溶接
ロボットの全体構成図、第３図（ａ）〜（ｇｌは溶接方
向の説明図、第４図、第５図、第６図８第７図はそれぞ
れ動作説明用のフローチャートである。 １・・・ロボット本体、２・・・溶接機、３・・・ロボ
ット制御装置、４・・・ティーチングボックス（Ｔ、Ｂ
ＯＸ）、５・・・溶接トーチ、１１・・・重力方向検出
器。 第１ＷＪ 第２図 Ｉ　　ＱＧｙト本体　　４　　Ｔ、ＢＯＸ　　　　８　
　’）−り２　；審躇機　　　５　洛掲トー壬　１０　
　ワイヤ送刹引縫１３　ロホ）ト皆１菅１１Ｎ、ｔ　　
６　　ワイヤ　　　　　Ｉｆ　　重ヵカ向梗煽１０３　
ｙ’を干重ね　　１０６下向Ｉ’ｍ、肉＃４ｇｌ 第５図 ＩＩ６聞 第７周

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、溶接トーチの被溶接物に対する姿勢制御と溶接経路
   制御に対応して溶接条件の自動設定を行なう方式の自動
   溶接装置において、上記溶接条件の自動設定のためのパ
   ラメータの１つに重力加速度の方向を加えるための制御
   手段を設け、重力加速度方向に対する溶接トーチの姿勢
   と溶接経路方向の変化に応じて溶接条件の制御が遂行さ
   れて行くように構成したことを特徴とする自動溶接装置
   。 ２、特許請求の範囲第１項において、上記自動溶接装置
   が重力加速度方向検出手段を備え、この検出手段により
   上記制御手段に対する重力加速度方向の入力処理が行な
   われるように構成したことを特徴とする自動溶接装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、上記溶接条件の設
   定がテーブル選択で遂行されて行くように構成されてい
   ることを特徴とする自動溶接装置。 ４、特許請求の範囲第３項において、上記テーブルが、
   上記被溶接物の継手形状に応じて細分化されていること
   を特徴とする自動溶接装置。 ５、特許請求の範囲第１項において、上記溶接条件の設
   定処理が、予め設定してある複数の規則に基いて逐次遂
   行されてゆくように構成されていることを特徴とする自
   動溶接装置。